用有限单元法对车辆垂向振动的研究

用有限元方法研究车辆向振动仿真问题，提出了切合实际的计算模型，采用轨道不平顺的数值模拟作为车辆的外部激励源，并详细地分析了敞车车体自振频率和轨道不平顺对车辆振动响应及车体结构内力变化情况。     

用有限单元法对车辆垂向振动的研究

用有限元方法研究车辆垂向振动仿真问题，提出了切合实际的计算模型，采用轨道不平顺的数值模拟作为车辆的外部激励源，并详细地分析了敞车车体自振频率和轨道不平顺对车辆振动响应及车体结构内力变化情况．     

铁路轨道不平顺随机过程的数值模拟

分析了目前广泛应用的几种轨道不平顺模拟方法,构造了基于频域功率谱等效的一种新的算法,分别求出频谱的幅值和随机相位,再通过傅立叶逆变换是到轨道平顺时域模拟样本。数值模拟试验表明,这种模拟方法较其它模拟方法更为简洁有效。     

单侧轨道不平顺数值模拟

采用傅立叶逆变换将轨道不平顺功率谱密度转换为时域不平顺序列,分析了美国轨道中心线各种不平顺的相关性。利用轨道中心线不平顺与左右轨道不平顺的关系,将中心线轨道不平顺等效转换为左右轨道的垂向和横向不平顺,通过车辆动力学仿真计算了轮轨作用力响应,并比较了美国五级谱单侧不平顺与中国干线谱不平顺。比较结果表明:各种中心线不平顺之间相关系数均小于0.3,为微弱相关,可视为统计独立的;中心线轨道不平顺响应与等效后的左右轨道不平顺响应的相关系数均大于0.8,为高度相关,验证了等效转换的正确性;美国五级谱单侧不平顺功率谱密度在低频部分高于中国干线谱,在高频部分则低于中国干线谱。     

时滞多维轨道不平顺激励的一致白噪声模型

为获得各轮轴处轨道不平顺，用于列车．桥梁振动控制和随机振动分析，研究了轨道不平顺的模拟方法．采用白噪声滤波法生成单轮轴的轨道不平顺；为实现不平顺波长选择，提出了成型滤波器参数的宽频带识别法．为考虑各轮轴间的时延，利用相邻轮轴间的短时滞，构造了基于高阶Pade近似的累次时滞系统．将成型滤波器与时滞系统相结合，得到了以白噪声为输入、列车各轮轴处轨道不平顺为输出的状态方程．算例表明，模拟样本与轨道不平顺目标谱密度相符，且满足各轮轴处轨道不平顺之间的时滞关系．     

轨道不平顺概率模型

为了高效选取轨道不平顺随机样本, 以满足车辆-轨道系统随机动力与可靠度分析中的激振源遍历性要求, 依据轨道随机不平顺的弱平稳与谱相似特征, 提出了一种轨道不平顺概率模型; 采用离散概率积分和统计方法, 在时域中将大量轨道不平顺检测信号分成若干个时程序列, 对每个序列采用谱分析法计算其统计功率谱密度分布; 采用矩阵法对轨道不平顺功率谱密度函数进行集合表征, 视每条谱线在不同频率点的功率谱密度概率具有累加性, 采用单一频率下的功率谱密度概率分布推知整条谱线的出现概率; 采用通用随机模拟方法选取代表性轨道谱, 并反演随机不平顺序列; 实测了某高速铁路约269km的轨道高低和方向不平顺, 基于车辆-轨道耦合动力学理论, 从轨道不平顺模拟幅值与车辆-轨道系统动力响应的概率密度分布出发, 对比了轨道不平顺概率模型与轨道不平顺随机模型的计算结果, 以验证轨道不平顺概率模型的正确性和高效性。计算结果表明: 以2种模型生成的轨道随机不平顺为激振源, 获得的车辆-轨道系统动力响应分布熵差异小于2%, 2种模型均能准确表达不平顺激扰特性; 为保证模拟与实测不平顺的概率密度分布一致, 采用随机模型和概率模型分别需要生成131和33个随机样本, 概率模型具有更高的分析效率; 在给定计算工况下, 轮轨力和车体加速度的幅值分别为38~152kN和-0.042g~0.043g (g为重力加速度), 均未超过《高速铁路设计规范》 (TB 10621—2014) 中的限值(轮轨力为170kN, 车体加速度为0.25g), 表明此高速铁路轨道不平顺状态较优, 行车安全性和舒适性可以得到保证。      

客运专线铁道车辆随机振动特性

为分析客运专线车辆在轨道随机不平顺作用下的振动规律,提出了轨道随机不平顺人工短波的概念,给出了短波的模拟样本.在同时考虑轨道高低不平顺和水平不平顺的基础上,采用德国高速低干扰谱与人工短波样本合成的轨道随机不平顺样本作为车辆-轨道耦合振动系统的激励,对车辆的随机振动进行了分析.探讨了轮轨动作用力、车辆各部件随机振动特性及其随列车运行速度变化的规律.研究结果表明,随列车运行速度提高,客运专线车辆各部件的随机振动响应如振动加速度、轮轨力、位移等均呈显著增大的趋势,其中以轮对加速度的变化最为明显,构架加速度、车体加速度和轮轨力次之,位移变化相对较小.     

地震作用下列车-桥梁空间耦合系统动力响应分析

为了探究地震对高速列车和桥梁的影响,建立车辆-桥梁空间耦合系统模型。将规格化的地震波作为激励,同时考虑轨道随机不平顺的影响。采用新型显式积分法求解系统方程。分析不同烈度地震作用下车桥耦合系统的动力响应。数值结果表明,地震烈度在桥梁的抗震设防烈度范围内时,桥梁的振动加速度和挠度响应均符合规范的限值要求。车辆运行平稳性的Sperling指标相对加速度指标较为宽松,当地震烈度为7度及以上时,车辆已不能平稳地运行于桥梁之上。在相对较弱的地震作用下,轨道随机不平顺对桥梁的垂向加速度响应影响明显,不应忽略。     

轨道随机不平顺下磁浮车辆非线性动力学特性

基于柔性轨道研究了随机不平顺下磁浮车辆的动力学特性, 在将轨道受力分解为分段链式结构的基础上, 提出了一种磁浮车辆垂向悬浮稳定性分析方法, 定义了不同悬浮力作用于各自悬浮点时柔性轨道的振动固有频率和模态矩阵; 建立了轨道分段链式结构的离散形式和轨道结构的运动方程, 采用虚拟激励法将轨道不平顺产生的随机激励转化为系统输入激励, 并将轨道随机高低不平顺作为振动激励源进行车轨振动控制; 在不同反馈控制参数下采用电压反馈双环PID控制器数值仿真车辆的悬浮状态, 并分析了轨道随机不平顺激励下反馈控制参数对磁浮系统稳定性的影响。研究结果表明: 当磁浮车辆速度为50~80 km·h-1, 位移反馈参数、速度反馈参数和电流反馈参数分别为140 000、50、500时, 车辆可以从起始间隙16 mm快速定位到平衡位置间隙9 mm, 在2.2 s时即可稳定悬浮, 系统的超调量和稳态误差分别为1.50和0.13 mm, 且系统振动频率趋近于0;当位移反馈参数、速度反馈参数和电流反馈参数分别为15 000、50、400时, 磁浮车辆在轨道随机不平顺作用下的悬浮稳定性变差, 系统在9 s左右逐渐趋于稳定, 但仍旧在平衡位置上下浮动, 且系统振动频率和振动幅值分别为7 Hz和0.5 mm; 当磁浮车辆的速度超出50~80 km·h-1时, 第1组反馈控制参数不再适用, 磁浮系统在1.7 s左右发散, 车辆失稳, 表明在不同车辆速度和反馈控制参数的作用下, 轨道随机不平顺能显著影响磁浮车辆的悬浮稳定性。      

基于有限元和模态法的轮轨动力对比分析

目前,分析车辆-轨道耦合动力学的主要方法有有限元法和模态法,为深入对这两种方法进行比较,分别利用有限元法和模态法建立车辆-轨道垂向耦合动力学计算模型。同时将轨道高低不平顺视为平稳各态随机特征,考虑美国轨道6级谱,仿真计算系统垂向耦合振动。在时域范围内对二者仿真结果进行比较。通过对所获结果的观察分析得出有限元法和模态法这两种方法在仿真计算车辆-轨道垂向动态耦合响应上具有同等的计算效果,但模态法计算速度快,有限元法比模态法精确。     

轨道不平顺激励下直线电机车辆/轨道动力响应

为了提高直线电机轮轨交通车辆运行的安全性与乘坐舒适性,分析了车轨结构特征,建立了直线电机车辆/板式轨道横、垂向动力学模型。通过三角级数法得到轨道随机不平顺的时间序列,以其作为系统激励,分析了直线电机车辆与轨道的随机振动特性。把轨道不平顺描述为余弦函数,研究了高低不平顺与方向不平顺的波长和幅值对系统动力响应的影响规律。计算结果表明:磁轨气隙变化的频率主要集中在1.2～2.0Hz范围内,波长小于10m的高低和方向不平顺对系统轮轨作用力、脱轨系数及轮重减载率等影响显著增大,应予以重点控制。     

不同线路条件及运行速度下高速列车振动性能分析

高速列车的振动特性直接影响旅客乘坐的舒适性和列车运行的安全性．为了分析不同线路条件和运行速度对高速列车振动特性的影响,建立了车辆-轨道耦合系统模型,并以德国高速轨道谱和我国干线轨道谱产生的轨道随机不平顺作为耦合系统的激励,通过Newmark数值积分和Matlab仿真,计算了高速车辆在高速线路和提速干线条件下车体、构架、轮对等车辆各部件和轨道部件的振动响应．研究结果表明,随着列车运行速度的提高,高速车辆各部件振动响应均显著增大;线路条件对高速列车轮对及轨道系统振动的影响较对车体系统振动的影响明显．     

轨枕支撑硬点对轨枕动力响应的影响

采用35自由度的多刚体车辆系统与三层弹性离散点支撑轨道模型,建立了基于Timosh-enko梁模型的车辆/轨道耦合动力学模型,应用新型显式积分法求解其运动特性。考虑钢轨横向、垂向和扭转运动对轮轨滚动接触几何关系的影响,分别由Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算了轮轨法向力和轮轨滚动接触蠕滑力。假设轨枕垂向支撑高度沿纵向非均匀分布来模拟轨枕支撑硬点,基于移动轨下支撑模型,分析了不同轨枕支撑硬点个数和高度对系统动力响应的影响。分析结果表明,轨枕支撑硬点对轨枕的动力响应影响显著。当硬点高度为1.0 mm时,最大钢轨/轨枕作用力约为正常状态下的2倍,最大钢轨/轨枕拉力约为正常状态的10倍,这将加速轨枕、轨下垫层及钢轨扣件状况的恶化。而支撑硬点个数对系统动力响应的影响很小。     

高速铁路缓和曲线行车动力性能对比分析

针对三次抛物线、半波正弦和一波正弦3种线型的铁路缓和曲线,以不同的列车运行速度变化规律建立了3种不同的分析工况,理论计算了车体横向加速度时变率。利用铁道车辆系统动力学数值仿真软件,建立了具有93个自由度的单节高速车模型,同时考虑轨道不平顺的影响,仿真计算了车体横向加速度时变率,对比分析了3种不同工况下缓和曲线上车体横向加速度时变率的变化情况。结果表明,在未考虑轨道不平顺时,列车以变化的速度运行,半波正弦更具优势,在车站两端加减速地段可以考虑采用半波正弦型缓和曲线,以提高旅客乘坐舒适度：轨道不平顺对高速行车的安全性和平稳性影响很大,应严格控制轨道平顺性。     

基于路面不平整度的车辆振动响应分析方法

为了分析路面与车辆的相互作用,提出了四自由度1/2车辆模型相对于不平整路面耦合振动分析方法。根据GB/T7031-1986建议的公路路面功率谱密度的拟合表达式,在分析了运行汽车固有振动频率和行驶速度的影响后,获得分布在一定频率范围内的离散功率谱密度数据,利用离散傅立叶逆变换得到路面不平度值,并以此作为1/2车辆垂向动力学模型的输入激励,通过数值仿真得到运行车辆系统在不同路面不平整度下的时域响应。分析结果表明:车辆动荷载系数随车速增大呈线性增加,随路面等级变差呈非线性增大,路面等级是影响车辆动力作用的最显著因素。     

车辆——轨道耦合系统随机振动分析

将轨道高低不平顺视为平稳各态历经随机过程,利用车辆－轨道耦合动力有限元计算模型,对车辆－轨道系统垂向随机动做了计算,在时域和频域内对系统响应作了分析。     

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响,考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态,推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式,利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力,采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,通过数值分析计算,得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明,如果失效因子从0.8增大到1.0,即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱,钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。